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香港大學徐立之團隊 JMCA:兼顧高機械強度及溫和修復條件的高魯棒性摩擦納米發電機
2023-08-24  來源:高分子科技

  摩擦納米發電機在運行過程中需頻繁遭受機械力沖擊及破壞,這對器件的耐久性及魯棒性提出了挑戰。解決方法之一是使用自修復高分子構筑具有損傷自愈能力的納米發電機。然而,多數自修復納米發電機無法兼顧修復性能和本體強度。一般來說,基于自發型自修復高分子的器件無需額外刺激即可實現損傷修復,但其較差的本體強度卻導致了器件的耐沖擊性和壽命降低。相比之下,基于觸發型自修復高分子的器件常呈現出更優秀的機械性能,但其修復過程需要外界刺激的觸發。目前常用的修復刺激,如熱、紅外、紫外等在納米發電機的多數使用場景中并不方便獲得。另外,出于安全考慮,上述刺激也不適用于可穿戴納米發電機的原位修復。因此,發展兼顧高機械強度及溫和自修復條件的納米發電機,實現器件便捷安全的自修復具有重要的實用意義。


  香港大學機械工程系徐立之團隊報道了一種能在溫和及易得的刺激條件下進行損傷修復的高強度摩擦納米發電機。文章首先制備了一種包含Ca2+-鄰苯二酚配位作用的聚氨酯脲,并將其命名為THP。THP的拉伸強度為11.6 MPa,并可通過改變鈣離子含量對其進行調節(5-19 MPa),該強度優于大部分已報道的自修復納米發電機的構筑材料。此外,THP 能利用生活中隨處可見的水或酒類飲料的觸發進行損傷修復,修復效率約為90%。文章進一步基于THP構筑了自修復摩擦納米發電機(THP-TENG),修復過后的器件輸出性能與損傷前的性能相當。對修復后的器件進行 8000次的循環測試后,其輸出性能仍保持穩定。整個器件的修復過程類似于用創可貼處理傷口,具有溫和、安全及便捷的特點。此外,對于損壞嚴重的器件,可通過溶液法對其進行回收再利用;赥HP-TENG,文章隨后制備了一種可同時監測觸覺信號及肌電信號的傳感器并探索其在可穿戴電子中的應用。


圖1.THP的機械性能及自修復性能。a)不同鈣離子添加量的THP樣品的拉伸應力-應變曲線。b)不同修復條件下THP的修復率。c)THP與其它已報道的自修復TENG構筑材料的修復率及拉伸強度對比。 


圖2.THP-TENG的自修復及可回收性能。a)THP-TENG的運行機理。b)THP-TENG的器件修復過程。c)THP-TENG的輸出性能修復。d)修復后的THP-TENG的運行穩定性。e)THP-TENG的循環回收過程。 


圖3.THP-TENG對觸覺及電生理信號的感知性能。a)THP-TENG基傳感器的器件結構。b)粘貼在前臂內側的THP-TENG基傳感器。c)手指在器件表面滑動時傳感器內不同電極產生的摩擦電信號。d)三種不同手勢下貼于前臂內側和外側的兩傳感器監測到的肌電信號。


  這項研究以“Robust and durable triboelectric nanogenerators enabled by mechanically strong and mildly healable polymer”為題發表在 《Journal of Materials Chemistry A》上。香港大學機械工程系助理教授徐立之為論文通訊作者,博士后徐偉為論文第一作者(目前就職于之江實驗室),參與該論文的還有博士生劉紅震及何慧敏。該研究得到了香港理工大學郝建華教授及黃文聰博士的合作支持。


  原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta02340k

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